KR101258878B1 - The light addressing bio sensor chip and the driving method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오 센서 칩에 대한 것으로서, 이 장치는 행렬로 배열되어 있으며, 외부의 광 주사에 의해 선택적으로 감지 신호를 출력하는 복수의 바이오 센서 셀, 상기 복수의 바이오 센서 셀과 동시에 연결되어 선택된 상기 바이오 센서 셀로부터의 상기 감지 신호를 전달하는 감지선, 그리고 상기 감지선으로부터 상기 감지 신호를 받아 외부로 출력하는 출력 단자를 포함한다. 따라서, 바이오 센서 칩에서 복수의 바이오 센서 셀을 어레이 형태로 구현하면서 별도의 구동부를 포함하지 않으므로 제조 공정이 단순화된다. 즉, 외부의 광원을 통해 감지하고자 하는 셀을 선택적으로 주사함으로써 일회성으로 사용되고 버려지는 바이오 센서 칩의 단가를 줄일 수 있다. The present invention relates to a biosensor chip, wherein the apparatus is arranged in a matrix, the plurality of biosensor cells selectively outputting a sensing signal by external light scanning, and the plurality of biosensor cells are simultaneously connected and selected. And a sensing line for transmitting the sensing signal from the biosensor cell, and an output terminal for receiving the sensing signal from the sensing line and outputting the sensing signal to the outside. Therefore, the biosensor chip does not include a separate driving unit while implementing the plurality of biosensor cells in an array form, thereby simplifying the manufacturing process. That is, by selectively scanning a cell to be sensed through an external light source, the cost of the biosensor chip that is used and discarded once can be reduced.
바이오 센서, 바이오 센서 어레이, 광 주사, 광 어드레싱 Biosensors, Biosensor Arrays, Optical Scanning, Optical Addressing
Description
본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명은 광에 의해 주사되는 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor. In particular, the invention relates to biosensors that are scanned by light.
최근 나도 기술 및 바이오 기술을 융합한 나노-바이오 융합 기술을 개발하기 위한 노력이 급속히 진행되고 있다. 특히, 나노-바이오 융합 기술의 하나인 나노-바이오 칩 분야에서 혈액 내 단백질 검출을 목적으로 하는 바이오 센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Recently, efforts are being made to develop nano-bio fusion technologies that fuse technologies and bio technologies. In particular, in the field of nano-bio chips, which is one of nano-bio fusion technologies, researches on biosensors for the purpose of detecting proteins in the blood are being actively conducted.
대표적으로 반도체 공정을 이용하여 대량 생산이 가능한 실리콘 근간의 바이오 센서들이 제안되고 있으며, 도 1과 같이 반도체 미세 가공 기술을 이용한 바이오 센서 칩 기술이 제안되었다. Representatively, biosensors based on silicon capable of mass production using semiconductor processes have been proposed, and biosensor chip technology using semiconductor microfabrication techniques has been proposed as shown in FIG. 1.
도 1의 바이오 센서 칩은 종래의 DRAM과 같은 메모리 셀의 구조를 이용하여 특정 프로브 분자가 분산되어 있는 바이오 셀을 형성하고, 타겟 분자와의 반응을 유도한 후 메모리에서 사용되는 일반적인 어드레싱(addressing) 방법을 통해 해당 바이오 센서 셀의 반응 여부를 검출한다.The biosensor chip of FIG. 1 uses a structure of a memory cell such as a conventional DRAM to form a bio cell in which specific probe molecules are dispersed, induces a reaction with a target molecule, and then general addressing used in a memory. The method detects whether the corresponding biosensor cell reacts.
이와 같은 바이오 센서 칩은 트랜지스터와 연결되어 있는 바이오 센서를 포함하며, 트랜지스터가 외부로부터의 주사 입력 신호에 따라 선택적으로 턴온되어 연결되어 있는 바이오 센서의 감지 신호를 출력한다.Such a biosensor chip includes a biosensor connected to a transistor, and outputs a detection signal of the biosensor in which the transistor is selectively turned on and connected according to a scan input signal from the outside.
따라서, 바이오 센서 칩은 도 1과 같이 바이오 센서 어레이와 연결되어 있는 행 주사부 및 열 주사부를 포함하며, 행 및 열 주사부는 외부의 주사 입력 신호를 수신하는 버퍼부 및 해당 주사선에 주사 입력 신호를 출력하는 디코더를 포함한다. 이러한 주사부의 회로는 바이오 센서 셀의 트랜지스터 형성 시에 함께 형성할 수 있으며, 또는 기판에 바이오 센서를 형성한 후 별도의 칩으로 부착될 수 있다.Accordingly, the biosensor chip includes a row scan unit and a column scan unit connected to the biosensor array as shown in FIG. 1, and the row and column scan units provide the scan input signal to the buffer unit and the corresponding scan line that receive external scan input signals. Contains a decoder to output. The circuit of the scan unit may be formed together when the transistor of the biosensor cell is formed, or may be attached to a separate chip after the biosensor is formed on the substrate.
그러나, 도 1과 같이 바이오 센서 칩 내에 감지 신호를 득출하는 주사부의 회로가 형성되어 있는 경우, 바이오 센서 칩의 제조 공정이 복잡해지고, 일회적 사용 후 버려지는 바이오 센서 칩의 제조 단가가 높아진다.However, when the circuit of the scanning unit for extracting the detection signal is formed in the biosensor chip as shown in FIG. 1, the manufacturing process of the biosensor chip is complicated, and the manufacturing cost of the biosensor chip discarded after one-time use becomes high.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 주사 회로 없이 광에 의해 선택적으로 감지 신호를 득출할 수 있는 바이오 센서를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a biosensor capable of selectively obtaining a detection signal by light without a separate scanning circuit.
본 발명에 따른 바이오 센서 칩은 행렬로 배열되어 있으며, 외부의 광 주사에 의해 선택적으로 턴온되어 기준전기 신호를 생성하는 광전소자, 그리고 상기 기준 전기 신호를 받아 프로브 분자와 타겟 분자 사이의 반응에 따라 상기 기준 전기 신호를 기초로 감지 신호를 생성하여 출력하는 바이오 센서를 포함하는 복수의 바 이오 센서 셀, 상기 복수의 바이오 센서 셀과 동시에 연결되어 선택된 상기 바이오 센서 셀로부터의 상기 감지 신호를 전달하는 적어도 하나의 감지선, 그리고 상기 감지선으로부터 상기 감지 신호를 받아 외부의 판독기로 출력하는 출력 단자를 포함한다.The biosensor chips according to the present invention are arranged in a matrix and are selectively turned on by external light scanning to generate a reference electric signal, and the reaction between the probe molecule and the target molecule by receiving the reference electric signal. A plurality of biosensor cells comprising a biosensor for generating and outputting a sensing signal based on the reference electrical signal, and at least simultaneously connected with the plurality of biosensor cells to transfer the sensing signals from the selected biosensor cell One sensing line, and an output terminal for receiving the sense signal from the sense line and outputs to an external reader.
상기 바이오 센서는 상기 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따라 저항이 가변할 수 있다.The biosensor may vary in resistance depending on a reaction between the probe molecule and the target molecule.
상기 광전소자는 상기 외부의 광 주사에 따라 턴온 전압을 생성하는 태양전지, 그리고 상기 태양전지의 턴온 전압에 의해 턴온되어 상기 바이오 센서에 상기 기준전기 신호를 흘리는 트랜지스터를 포함할 수 있다.The optoelectronic device may include a solar cell generating a turn-on voltage according to the external light scanning, and a transistor turned on by the turn-on voltage of the solar cell to flow the reference electric signal to the biosensor.
상기 트랜지스터는 상기 태양전지와 연결되어 상기 턴온 전압을 받는 게이트 전극, 기준 전압과 연결되어 있는 소스 전극, 그리고 상기 바이오 센서와 연결되어 상기 기준 전압에 기초하여 상기 기준 전기 신호를 흘리는 드레인 전극을 포함할 수 있다.The transistor may include a gate electrode connected to the solar cell to receive the turn-on voltage, a source electrode connected to a reference voltage, and a drain electrode connected to the biosensor to flow the reference electrical signal based on the reference voltage. Can be.
상기 광전소자는 상기 외부의 광 주사에 따라 턴온되어 상기 바이오 센서에 상기 기준 전기 신호를 흘리는 광 트랜지스터를 포함할 수 있다. The optoelectronic device may include an optical transistor that is turned on in response to the external light scanning to flow the reference electrical signal to the biosensor.
상기 광 트랜지스터는 상기 외부의 광조사에 의해 전자-홀 쌍이 생성되어 저항이 낮아지는 반도체층을 포함할 수 있다. The phototransistor may include a semiconductor layer in which electron-hole pairs are generated by the external light irradiation to lower the resistance.
상기 광 트랜지스터는 제1 기준 전압과 연결되어 있는 게이트 전극, 제2 기준 전압과 연결되어 있는 소스 전극, 그리고 상기 바이오 센서와 연결되어 상기 제1 및 제2 기준 전압에 기초하여 상기 기준 전기 신호를 흘리는 드레인 전극을 포함 할 수 있다.The photo transistor is connected to a gate electrode connected to a first reference voltage, a source electrode connected to a second reference voltage, and connected to the biosensor to flow the reference electrical signal based on the first and second reference voltages. It may include a drain electrode.
상기 바이오 센서 칩은 상기 복수의 바이오 센서 셀을 포함하는 복수의 바이오 센서 셀 그룹을 포함하며, 하나의 상기 감지선은 하나의 바이오 센서 셀 그룹의 상기 복수의 바이오 센서 셀과 동시에 연결될 수 있다.The biosensor chip may include a plurality of biosensor cell groups including the plurality of biosensor cells, and one sensing line may be simultaneously connected to the plurality of biosensor cells of one biosensor cell group.
상기 출력 단자의 수효는 상기 감지선의 수효와 동일할 수 있다.The number of output terminals may be equal to the number of sensing lines.
상기 바이오 센서 칩은 외부로부터 전원 전압을 받아 상기 복수의 바이오 센서 셀에 인가하는 전원 단자를 더 포함할 수 있다. The biosensor chip may further include a power supply terminal that receives a power supply voltage from an external source and applies the power supply voltage to the plurality of biosensor cells.
상기 복수의 바이오 센서 셀은 서로 다른 상기 프로브 분자를 포함할 수 있다. The plurality of biosensor cells may include different probe molecules.
한편, 본 발명에 따른 바이오 센서 셀은 행렬로 배열되어 있으며, 외부의 광 주사에 의해 선택적으로 감지 신호를 생성하여 출력하는 복수의 바이오 센서 셀, 상기 복수의 바이오 센서 셀과 동시에 연결되어 선택된 상기 바이오 센서 셀로부터의 상기 감지 신호를 전달하는 적어도 하나의 감지선, 그리고 상기 감지선으로부터 상기 감지 신호를 받아 외부의 판독기로 출력하는 출력 단자를 포함한다. On the other hand, the biosensor cells according to the present invention are arranged in a matrix, a plurality of biosensor cells for selectively generating and outputting a detection signal by an external light scanning, the biosensors selected and connected simultaneously with the plurality of biosensor cells At least one sensing line for transmitting the sensing signal from the sensor cell, and an output terminal for receiving the sensing signal from the sensing line and outputting the sensing signal to an external reader.
상기 바이오 센서 셀은 P형 도핑층, N형 도핑층 및 비도핑영역으로 형성되어 있는 광 다이오드, 그리고 상기 비도핑영역 위에 고정되어 있는 복수의 프로브 분자를 포함할 수 있다. The biosensor cell may include a photodiode formed of a P-type doping layer, an N-type doping layer, and an undoped region, and a plurality of probe molecules fixed on the undoped region.
상기 광 다이오드는 상기 프로브 분자와 타겟 분자 사이의 반응에 따른 투과도 변화에 의해 전류를 변화할 수 있다. The photodiode may change a current by a change in transmittance according to a reaction between the probe molecule and the target molecule.
상기 바이오 센서 칩은 외부로부터 전원 전압을 받아 상기 복수의 바이오 센 서 셀에 인가하는 전원 단자를 더 포함할 수 있다. The biosensor chip may further include a power terminal configured to receive a power voltage from an external source and apply the power voltage to the plurality of biosensor cells.
상기 복수의 바이오 센서 셀은 서로 다른 상기 프로브 분자를 포함할 수 있다. The plurality of biosensor cells may include different probe molecules.
한편, 본 발명에 다른 바이오 센서 칩의 구동 방법은 행렬로 배열되어 있는 복수의 바이오 센서 셀을 타겟 분자가 포함되어 있는 검출 시료에 노출하는 단계, 감지 신호를 득출할 상기 바이오 센서 셀을 선택하여 외부에서 광을 조사하는 단계, 선택된 상기 바이오 센서 셀의 트랜지스터가 상기 광에 의해 턴온되어 바이오 센서로 기준 전기 신호를 출력하는 단계, 그리고 상기 기준 전기 신호에 기초하여 상기 바이오 센서로부터 상기 감지 신호를 득출하여 출력 단자를 통해 외부로 출력하는 단계를 포함한다. Meanwhile, the method of driving a biosensor chip according to the present invention includes exposing a plurality of biosensor cells arranged in a matrix to a detection sample containing a target molecule, and selecting the biosensor cells from which a detection signal is to be acquired. Irradiating the light with the light, the transistor of the selected biosensor cell is turned on by the light to output a reference electrical signal to the biosensor, and obtains the detection signal from the biosensor based on the reference electrical signal. Outputting through the output terminal to the outside.
선택된 상기 바이오 센서 셀의 상기 감지 신호는 상기 복수의 바이오 센서 셀과 동시에 연결되어 있는 감지선을 통하여 상기 출력 단자에 전달할 수 있다. The sensing signal of the selected biosensor cell may be transmitted to the output terminal through a sensing line connected simultaneously with the plurality of biosensor cells.
상기 바이오 센서 셀은 외부의 광에 따라 턴온 전압을 생성하는 태양전지, 상기 태양전지의 턴온 전압에 의해 턴온되어 상기 기준 전기 신호를 흘리는 트랜지스터, 그리고 상기 트랜지스터의 상기 기준 전기 신호를 받아 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따라 가변하여 상기 감지 신호를 생성하는 바이오 센서를 포함할 수 있다. The biosensor cell may include a solar cell generating a turn-on voltage according to external light, a transistor turned on by the turn-on voltage of the solar cell to flow the reference electric signal, and receiving the reference electric signal of the transistor and the probe molecule. It may include a biosensor varying according to the reaction between the target molecules to generate the detection signal.
상기 바이오 센서 셀은 광에 의해 전자-홀 쌍이 생성되어 저항이 낮아지는 반도체층을 포함하며, 상기 외부의 광에 따라 턴온되어 상기 기준 전기 신호를 흘리는 광 트랜지스터, 그리고 상기 광 트랜지스터의 상기 기준 전기 신호를 받아 프 로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따라 가변하여 상기 감지 신호를 생성하는 바이오 센서를 포함할 수 있다. The biosensor cell includes a semiconductor layer in which electron-hole pairs are generated by light to lower resistance, and are turned on according to the external light to flow the reference electric signal, and the reference electric signal of the photo transistor. In response to the reaction between the probe molecule and the target molecule may include a biosensor to generate the detection signal.
본 발명에 따르면, 바이오 센서 칩에서 복수의 바이오 센서 셀을 어레이 형태로 구현하면서 별도의 구동부를 포함하지 않으므로 제조 공정이 단순화된다. 즉, 외부의 광원을 통해 감지하고자 하는 셀을 선택적으로 주사함으로써 일회성으로 사용되고 버려지는 바이오 센서 칩의 단가를 줄일 수 있다. According to the present invention, since a plurality of biosensor cells are implemented in an array form in a biosensor chip, a separate driving unit is not included, thereby simplifying the manufacturing process. That is, by selectively scanning a cell to be sensed through an external light source, the cost of the biosensor chip that is used and discarded once can be reduced.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between .
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. In addition, the terms “… unit”, “… unit”, “module”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. have.
이하에서는 도 2를 참고하여 본 발명에 따른 바이오 센서 칩을 설명한다.Hereinafter, a biosensor chip according to the present invention will be described with reference to FIG. 2.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 센서 칩을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a biosensor chip according to the present invention.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 바이오 센서 칩은 기판(200)에 형성되어 있는 복수의 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the biosensor chip according to the present invention includes a plurality of biosensor cells SC11-SCmn 210 formed on the
복수의 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)은 mxn 행렬의 형태로 배열되어 있으며, 각 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)은 특정한 프로브 분자가 고정되어 형성되어 있다.The plurality of biosensor cells (SC11-SCmn) 210 are arranged in the form of an mxn matrix, and each biosensor cell (SC11-SCmn) is formed by fixing a specific probe molecule.
즉, 하나의 바이오 센서 칩에서 다양한 타겟 분자를 검출할 수 있도록, 각 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)마다 특정한 타겟 분자와 반응하는 특정한 프로프 분자를 포함한다.That is, in order to detect various target molecules in one biosensor chip, each biosensor cell (SC11-SCmn) 210 includes specific prop molecules that react with specific target molecules.
한 열(n, n=1,,,n)을 형성하는 복수의 센서 셀(SC1n-SCmn)(210)은 열 방향으로 뻗어있는 복수의 감지선과 동시에 연결되어 있으며, 복수의 감지선은 하나의 감지 단자(OUT)에 동시에 연결되어 있다. 즉, 행렬을 이루는 복수의 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)이 하나의 출력 단자(OUT)(220)를 통해 외부로 감지 신호를 출력한다.The plurality of sensor cells (SC1n-SCmn) 210 forming one column (n, n = 1 ,,, n) are connected to a plurality of sensing lines extending in the column direction at the same time, and the plurality of sensing lines are connected to one sensor line. It is connected to sense terminal OUT at the same time. That is, the plurality of biosensor cells SC11-SCmn 210 forming a matrix output the sensing signal to the outside through one
도 2와 달리 감지선이 행 방향으로 뻗어있어 한 행(m, m=1,,,m)을 형성하는 복수의 센서 셀(SCm1-SCmn)(210)과 동시에 연결될 수 있으며, 감지선과 센서 셀(SC11-SCmn)(210)의 연결은 설계에 따라서 다양할 수 있다.Unlike in FIG. 2, a sensing line extends in a row direction and may be simultaneously connected to a plurality of sensor cells (SCm1-SCmn) 210 forming one row (m, m = 1 ,,, m), and a sensing line and a sensor cell. The connection of (SC11-SCmn) 210 may vary depending on the design.
일예로, 바이오 센서 칩 내의 복수의 바이오 센서 셀(SCm1-SCmn)(210)을 일정한 갯수만큼 그룹핑하여 복수의 바이오 센서 셀 그룹을 형성하고, 각 바이오 센서 셀 그룹 내의 복수의 바이오 센서 셀(SCm1-SCmn)(210)이 하나의 감지선에 연결될 수 있다.For example, a plurality of biosensor cells (SCm1-SCmn) 210 in the biosensor chip are grouped by a predetermined number to form a plurality of biosensor cell groups, and a plurality of biosensor cells (SCm1-S) in each biosensor cell group. SCmn) 210 may be connected to one sensing line.
즉, 바이오 센서 셀 그룹의 수효와 감지선의 수효가 동일하게 형성될 수 있으며, 이러한 감지선의 수효는 출력 단자(OUT)(220)의 수효와 동일할 수 있다. That is, the number of biosensor cell groups and the number of sensing lines may be the same, and the number of such sensing lines may be the same as the number of
한편, 바이오 센서 칩은 전원 단자(230)를 포함하며, 전원 단자(230)는 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)의 회로에 따라 복수의 기준전압선(도시하지 않음)과 연결되어 적어도 하나 이상의 기준 전압을 각 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)에 공급한다. Meanwhile, the biosensor chip includes a
이와 같이, 바이오 센서 칩은 칩 내에 감지 신호를 검출하고자 하는 바이오센서 셀(SC11-SCmn)(210)을 선택하기 위한 주사 회로를 포함하지 않으며, 행렬을 이루는 복수의 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)만이 형성되어 있다.As such, the biosensor chip does not include a scanning circuit for selecting the biosensor cells (SC11-SCmn) 210 to detect the detection signal in the chip, and the plurality of biosensor cells (SC11-SCmn) forming a matrix. Only 210 is formed.
바이오 센서 칩은 감지 신호를 검출하고자 하는 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)이 외부로부터 입사되는 광에 의해 선택됨으로써, 선택된 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)의 감지 신호를 연결되어 있는 감지선을 통해 출력 단자(OUT)로 출력한다. The biosensor chip is connected to the detection signal of the selected biosensor cell (SC11-SCmn) 210 by selecting the biosensor cells (SC11-SCmn) 210 to detect the detection signal by the light incident from the outside. Output to the output terminal (OUT) through the sense line.
따라서, 각각의 바이오 센서 셀(SC11-SCmn)(210)은 광에 의해 선택적으로 활성화되어 감지 신호를 출력 단자(OUT)로 출력하는 광소자를 포함하고 있다.Accordingly, each biosensor cell (SC11-SCmn) 210 includes an optical element that is selectively activated by light to output a sensing signal to the output terminal OUT.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참고하여 본 발명에 따른 바이오 센서 셀을 설명한다.Hereinafter, a biosensor cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a biosensor cell according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오 센서는 복수의 바이오 센서 셀을 포함하며, 각각의 바이오 센서 셀은 도 3과 같은 회로로 구성된다.The biosensor according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of biosensor cells, and each biosensor cell is composed of a circuit as shown in FIG. 3.
도 3을 참고하면, 바이오 센서 셀은 광전소자(211), 트랜지스터(Tr) 및 바이오 센서(213)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the biosensor cell includes an
트랜지스터(Tr)는 제1 전원 전압(REF1)과 연결되어 있는 소스 전극, 바이오 센서(213)와 연결되어 있는 드레인 전극 및 광전소자(211)와 연결되어 있는 게이트 전극을 포함한다.The transistor Tr includes a source electrode connected to the first power supply voltage REF1, a drain electrode connected to the
광전소자(211)는 태양 전지 등과 같이 광전반응하는 소자로서, 제2 전원 전압(REF2)과 트랜지스터(Tr)의 게이트 전극 사이에 형성되어 있으며, 외부로부터의 광에 응답하여 트랜지스터(Tr)의 턴온 전압을 게이트 전극으로 공급한다.The
바이오 센서(213)는 특정한 타겟 분자와 반응할 수 있는 프로브 분자를 포함하며, 타겟 분자와 프로브 분자 사이의 반응에 따라 신호 변화가 발생한다.The
이러한 프로브 분자는 혈액 내의 단백질, DNA 또는 항원 등과 같은 타겟 분자와 반응할 수 있는 물질일 수 있다. Such probe molecules may be substances that can react with target molecules such as proteins, DNA or antigens in the blood.
이러한 바이오 센서(213)는 트랜지스터(Tr)의 드레인 전극과 감지선(S/L) 사이에 연결되어 있으며, 트랜지스터(Tr)의 드레인 전극으로부터 전류를 받아 타겟 분자와 프로브 분자의 반응에 따라 가변된 신호를 감지선(S/L)으로 흘린다.The
이와 같이, 외부의 광에 의해 선택된 바이오 센서 셀 내에서 광전소자(211)가 외부의 광을 광전변환하여 전기 신호를 생성하고, 전기 신호가 트랜지스터(Tr)의 게이트 전극에 공급되어 트랜지스터(Tr)가 턴온되어 드레인 전극으로 기준 전류를 흘리게 된다. 즉, 바이오 센서(213)는 외부의 광 주사에 따라 트랜지스터(Tr)로부터 기준 전류를 받아 해당 프로브 분자의 반응에 따라 가변된 신호를 감지신호로서 감지선(S/L)으로 흘린다. As described above, in the biosensor cell selected by the external light, the
외부의 광에 의해 선택된 바이오 센서 셀에 대한 감지 신호는 해당 바이오 센서 셀과 연결되어 있는 감지선(S/L)을 통하여 도 1의 출력 단자(OUT)로 출력된다.The sensing signal for the biosensor cell selected by the external light is output to the output terminal OUT of FIG. 1 through the sensing line S / L connected to the biosensor cell.
따라서, 바이오 센서 칩 내에 별도의 주사 회로 없이 외부의 광을 이용하여 감지 신호를 득출하고자 하는 바이오 센서 셀에 선택적으로 광을 조사함으로써 해당 바이오 센서 셀의 감지 신호를 득출할 수 있다. 또한, 이러한 감지 신호를 판독함으로써 시료 내에 해당 바이오 센서 셀의 프로브 분자와 반응하는 타겟 분자가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.Accordingly, by selectively irradiating light to the biosensor cell to obtain the detection signal using external light without a separate scanning circuit in the biosensor chip, the detection signal of the biosensor cell can be obtained. In addition, by reading the detection signal, it is possible to determine whether a target molecule reacts with the probe molecule of the biosensor cell in the sample.
한편, 광에 의해 선택된 바이오 센서 셀의 트랜지스터(Tr)가 턴온되는 특징을 이용하여, 각 바이오 센서 셀의 바이오 센서(213) 상부에 프로브 분자를 전기적으로 선택적 표면 고정화할 수 있다. Meanwhile, by using the feature that the transistor Tr of the biosensor cell selected by light is turned on, the probe molecules may be electrically selectively surface-immobilized on the
전기적 방식의 선택적 표면 고정화는 표면 고정화를 원하는 부분의 전압이 문턱 전압 이상이면 그 부분 위를 흐르는 용액 내의 프로브 분자가 표면의 링크 분자와 반응을 하여 표면 고정화가 이루어 진다. In the selective surface fixation of the electrical method, if the voltage of the portion to which the surface is desired to be immobilized is higher than the threshold voltage, the probe molecules in the solution flowing over the portion react with the link molecules on the surface to form the surface.
따라서, 특정 프로브 분자를 흘리면서 원하는 바이오 센서 셀에 광을 주사하면 트랜지스터(Tr)가 턴온되어 제1 전원전압(REF1)이 바이오 센서에 인가되고, 바이오 센서 상부에 현재 흘리는 특정 프로브 분자가 선택적으로 고정된다. 이때, 도 2에서의 제1 전원전압(REF1)의 레벨은 특정 프로브 분자를 고정화할 수 있는 정도의 레벨을 충족한다.Accordingly, when light is injected into a desired biosensor cell while flowing a specific probe molecule, the transistor Tr is turned on to apply the first power supply voltage REF1 to the biosensor, and the specific probe molecule currently flowing on the biosensor is selectively fixed. do. In this case, the level of the first power supply voltage REF1 in FIG. 2 satisfies a level capable of immobilizing a specific probe molecule.
다음으로, 다른 프로브 분자를 순차적으로 흘리면서 이웃한 바이오 센서 셀에서 같은 공정을 반복하게 되면, 바이오 센서 셀의 바이오 센서 상에 다른 프로브 분자가 고정될 수 있다.Next, when the same process is repeated in neighboring biosensor cells while sequentially flowing other probe molecules, other probe molecules may be immobilized on the biosensor of the biosensor cell.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참고하여 광 주사에 따라 반응 여부를 득출할 수 있는 본 발명의 다른 바이오 센서 셀을 설명한다. Hereinafter, another biosensor cell of the present invention capable of obtaining a reaction according to light scanning will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 단면도이며, 도 6은 도 5의 바이오 센서 셀의 반응에 따른 감지 신호를 나타낸 것이다.4 is a cross-sectional view of a biosensor cell according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a cross-sectional view of a biosensor cell according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a reaction of the biosensor cell of FIG. The detection signal is shown.
도 4를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오 센서 셀은 광 트랜지스터를 포함한다.Referring to FIG. 4, the biosensor cell according to the second embodiment of the present invention includes a phototransistor.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광 트랜지스터는 도 3의 트랜지스터(Tr)와 광전소자(211)를 결합한 것으로서, 도 4의 광 트랜지스터는 소스 전극(450)이 제1 전원 전압(REF1)과 연결되어 있고, 드레인 전극(450)이 바이오 센서(213)와 연결되어 있으며, 게이트 전극(410)이 제2 전원 전압(REF2)과 연결되어 있다.The phototransistor according to the second embodiment of the present invention is a combination of the transistor Tr and the
이러한 광 트랜지스터는 도 4와 같은 구조를 가진다.Such a photo transistor has a structure as shown in FIG. 4.
기판(400) 위에 게이트 전극(410)이 형성되어 있으며, 게이트 전극(410) 위에 게이트 절연막(420) 및 반도체층(430)이 형성되어 있다.The
반도체층(430)은 광감지층으로서, 비결정 실리콘으로 도핑될 수 있으며, 보호층(440)으로 덮여있다. The
이러한 보호층(440)은 질화물로 형성될 수 있으며, 보호층(440) 위에 게이트 전극(410)의 양 옆으로 소스 전극(450) 및 드레인 전극(450)이 마주보고 형성되어 있다.The
이때, 반도체층(430)은 외부로부터 광이 조사되지 않는 경우에는 저항이 매우 높아 소스 전극(450)과 드레인 전극(450)을 연결하지 않고, 외부로부터 광이 조사되는 경우에는 전자-홀 쌍이 생성되어 저항이 매우 낮아져 소스 전극(450)과 드레인 전극(450) 사이를 연결한다. In this case, the
따라서, 도 4의 광 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서 셀의 경우, 외부로부터 선택된 바이오 센서 셀로 광이 조사될 때, 선택된 바이오 센서 셀의 광 트랜지스터가 턴온되어 제1 전원 전압(REF1)에 기초한 기준 전류를 드레인 전극(450)을 통하여 바이오 센서(213)에 흘린다.Therefore, in the biosensor cell including the phototransistor of FIG. 4, when light is irradiated from the outside to the selected biosensor cell, the phototransistor of the selected biosensor cell is turned on to receive a reference current based on the first power supply voltage REF1. It flows to the
바이오 센서(213)는 도 3과 같이 광 트랜지스터로부터 기준 전류를 받아 프로브 분자와 타겟 분자의 반응 여부에 따라 신호를 가변하여 감지선(S/L)으로 전달한다.As illustrated in FIG. 3, the
이와 같은 광 트랜지스터의 경우, 도 4에 한정되지 않고 트랜지스터의 구조를 변형하여 다양하게 형성될 수 있다.In the case of such a photo transistor, the structure of the transistor is not limited to FIG. 4 and may be variously formed.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 경우, 도 5와 같이 광 다이오드와 정렬하는 바이오 센서를 포함할 수 있다.Meanwhile, the biosensor cell according to the third embodiment of the present invention may include a biosensor aligned with a photodiode as shown in FIG. 5.
도 5를 참고하면, 기판(500) 위에 절연막(510)이 형성되어 있으며, 절연막 (510) 위에 실리콘층(550)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 5, an insulating
이러한 실리콘층(550)은 N형 도핑층(N), P형 도핑층(P)이 형성되어 있으며, N형 도핑층(N)과 P형 도핑층(P) 사이에 비도핑영역(I)이 형성되어 있다.The
이러한 N형 도핑층(N)과 P형 도핑층(P)은 기판(500) 표면에 이온 주입 등을 수행하여 형성할 수 있다.The N-type doping layer N and the P-type doping layer P may be formed by performing ion implantation on the surface of the
다음으로 N형 도핑층(N) 및 P형 도핑층(P) 위에 전극(560)을 각각 형성한다. Next, the
이러한 전극(560)은 도핑된 폴리실리콘막, 금속막 및 도전성 금속질화막 등으로 이루어질 수 있으며, N형 도핑층(N) 및 P형 도핑층(P)과 오믹 콘택을(ohrmic contact) 형성할 수 있는 모든 물질을 포함한다.The
이러한 광 다이오드 위에 광흡수층(570)이 형성되어 있다.The
광흡수층(570)은 실리콘층(550)의 비도핑영역(I)을 개방하며 형성되어 있으며, 외부로부터의 광을 반사 혹은 흡수하여 하부에 전달되는 것을 막는다.The light
이러한 광흡수층(570)은 금속 등으로 이루어질 수 있으며, 생략이 가능하다.The
이와 같이 광흡수층(570)에 의해 개방된 비도핑영역(I) 위에 프로브 분자(580)가 고정되어 바이오 센서를 형성하고 있다.As such, the
도 5의 바이오 센서 셀은 P형 도핑층(P) 위의 전극(560)이 전원 전압(도시하지 않음)과 연결되어 있으며, N형 도핑층(N) 위의 전극(560)이 감지선(S/L)과 연결 되어 있다.In the biosensor cell of FIG. 5, the
이러한 바이오 센서 셀은 바이오 센서 칩을 측정 시료에 노출시켜 바이오 센서 셀의 프로브 분자와 타겟 분자의 반응을 유도하고, 반응을 감지할 바이오 센서 셀을 선택하여 광을 조사한다.The biosensor cell exposes the biosensor chip to the measurement sample to induce a reaction between the probe molecule and the target molecule of the biosensor cell, and selects a biosensor cell to detect the reaction and irradiates light.
광이 조사된 바이오 센서 셀의 프로브 분자와 타겟 분자가 서로 반응을 한 경우, 광 다이오드의 비도핑영역(I)에 도달하는 빛의 양이 감소하여 비도핑영역(I)에 형성되는 전자-전공 쌍이 감소한다.When the probe molecule and the target molecule of the irradiated biosensor cell react with each other, the amount of light reaching the undoped region (I) of the photodiode decreases to form an electron-electron formed in the undoped region (I). The pair decreases.
따라서, 도 6과 같이 광 다이오드의 N형 도핑층(N) 및 P형 도핑층(P) 사이에 흐르는 전류가 감소한다.Therefore, as shown in FIG. 6, the current flowing between the N-type doping layer N and the P-type doping layer P of the photodiode decreases.
이와 같은 전류가 감지선(S/L)을 따라 감지 신호로서 출력 단자(OUT)로 출력되면, 전류의 크기에 따라 해당 바이오 센서 셀의 프로브 분자의 반응 여부를 판독할 수 있다.When such a current is output to the output terminal OUT as a sensing signal along the sensing line S / L, it is possible to read whether or not the probe molecule of the corresponding biosensor cell reacts according to the magnitude of the current.
도 7는 본 발명에 따른 바이오 센서 칩 및 광 주사부를 도시한 것이다.7 illustrates a biosensor chip and an optical scanning unit according to the present invention.
도 7과 같이, 바이오 센서 칩(700)은 각각 특정된 프로브 분자를 포함하는 복수의 바이오 센서 셀을 포함하며, 칩 내에 주사 회로를 포함하지 않는다.As shown in FIG. 7, the
앞서 설명한 바와 같이, 바이오 센서 칩(700)을 검출 시료에 노출한 후, 프로브 분자와 타겟 분자의 반응을 유도하고, 바이오 센서 칩(700) 외부의 광 주사부(750)를 이용하여 반응을 검출하고자 하는 바이오 센서에 선택적으로 광을 조사한다.As described above, after the
광 주사부(750)는 복수의 광원으로 형성될 수 있으며, 단파장 광원, 광대역 광원 또는 백색 광원일 수 있다.The
이러한 광 주사에 의해 선택된 바이오 센서 셀과 연결되어 있는 감지선으로 감지 신호가 출력되며, 감지 신호는 출력 단자를 통해 외부의 판독회로에 인가된다.The sensing signal is output to a sensing line connected to the selected biosensor cell by the optical scanning, and the sensing signal is applied to an external reading circuit through an output terminal.
다양한 프로브 분자를 포함하는 바이오 센서 칩(700)은 한번 검출 시료에 노출된 후에는 재사용이 불가능하여 일회성에 그치므로, 바이오 센서 칩(700) 내에 주사 회로를 포함하지 않고, 바이오 센서 셀과 감지선 및 하나의 출력 단자만을 포함하도록 칩을 단순화하며, 외부 감지 카세트의 광 주사에 의해 검출할 바이오 센서 셀이 선택됨으로써 바이오 센서 칩의 제조 공정이 단순화되고, 비용을 줄일 수 있다.Since the
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. The embodiments of the present invention described above are not only implemented by the apparatus and method but may be implemented through a program for realizing the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded, The embodiments can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the embodiments described above.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.
도 1은 종래의 바이오 센서 칩을 나타내는 구성도이다. 1 is a block diagram showing a conventional biosensor chip.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 센서 칩을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a biosensor chip according to the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a biosensor cell according to a first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a biosensor cell according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오 센서 셀의 단면도이다. 5 is a cross-sectional view of a biosensor cell according to a third embodiment of the present invention.
도 6은 도 5의 바이오 센서 셀의 반응에 따른 감지 신호를 나타낸 것이다.6 illustrates a sensing signal according to the response of the biosensor cell of FIG. 5.
도 7는 본 발명에 따른 바이오 센서 칩 및 광 주사부를 도시한 것이다.7 illustrates a biosensor chip and an optical scanning unit according to the present invention.
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